第10章 输入捕获实验
第十章 输入捕获实验
1. 硬件设计
本实验用到的硬件资源有：
-
指示灯DS0
-
KEY_UP按键
-
串口
-
定时器TIM3
-
定时器TIM5
前面 4 个，在之前的章节均有介绍。 本节，我们将捕获 TIM5_CH1（ PA0）上的高电平脉宽， 通过 KEY_UP 按键输入高电平，并从串口打印高电平脉宽。同时我们保留上节的 PWM 输出，大家也可以通过用杜邦线连接 PF9 和 PA0，来测量 PWM 输出的高电平脉宽。
2. 软件设计
2.1 定时器5通道1输入捕获配置
// 定时器5通道1输入捕获配置
// arr：自动重装值(TIM2,TIM5是32位的!!)
// psc：时钟预分频数
void TIM5_CH1_Cap_Init(u32 arr, u16 psc) // 函数参数：自动重装值，时钟预分频数
{
TIM_IC_InitTypeDef TIM5_CH1Config;
TIM5_Handler.Instance = TIM5; // 通用定时器5
TIM5_Handler.Init.Prescaler = psc; // 分频系数
TIM5_Handler.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数器
TIM5_Handler.Init.Period = arr; // 自动装载值
TIM5_Handler.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;// 时钟分频银子
HAL_TIM_IC_Init(&TIM5_Handler); // 初始化输入捕获时基参数
TIM5_CH1Config.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; // 上升沿捕获
TIM5_CH1Config.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI;// 映射到TI1上
TIM5_CH1Config.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; // 配置输入分频，不分频
TIM5_CH1Config.ICFilter = 0; // 配置输入滤波器，不滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&TIM5_Handler,&TIM5_CH1Config,TIM_CHANNEL_1); // 配置TIM5通道1
HAL_TIM_IC_Start_IT(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); // 开启TIM5的捕获通道1，并且开启捕获中断
__HAL_TIM_ENABLE_IT(&TIM5_Handler, TIM_IT_UPDATE); // 使能更新中断
}
2.2 TIM5 GPIO配置
// 定时器5底层驱动，时钟使能，引脚配置
// 此函数会被HAL_TIM_IC_Init()调用
// htim:定时器5句柄
void HAL_TIM_IC_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_Initure;
__HAL_RCC_TIM5_CLK_ENABLE(); // 使能TIM5时钟
__HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE(); // 开启GPIOA时钟
GPIO_Initure.Pin = GPIO_PIN_0; // PA0
GPIO_Initure.Mode = GPIO_MODE_AF_PP; // 复用推挽输出
GPIO_Initure.Pull = GPIO_PULLDOWN; // 下拉
GPIO_Initure.Speed = GPIO_SPEED_HIGH; // 高速
GPIO_Initure.Alternate = GPIO_AF2_TIM5; // PA0复用为TIM5通道1
HAL_GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_Initure); // 初始化GPIO
HAL_NVIC_SetPriority(TIM5_IRQn,2,0); // 设置中断优先级，抢占优先级2，子优先级0
HAL_NVIC_EnableIRQ(TIM5_IRQn); // 开启ITM5中断通道
}
2.3 更新中断回调函数
// 定时器更新中断（计数溢出）中断处理回调函数，该函数在HAL_TIM_IRQHandler中会被调用
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 更新中断（溢出）发生时执行
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0) // 还未成功捕获
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) // 已经捕获到高电平了
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F) // 高电平太长了
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; // 标记成功捕获了一次
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF; // 捕获值置为最大值
}
else TIM5CH1_CAPTURE_STA++; // 捕获到一次低电平
}
}
}
这段代码其实有点难理解，下面我们分步骤解释一下：
函数概述
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
- 这是一个由HAL库定义的回调函数，当定时器的计数周期到达设定值（溢出）时自动调用。
TIM_HandleTypeDef *htim是指向定时器句柄的指针，用于识别哪个定时器产生了中断。
变量解释
TIM5CH1_CAPTURE_STA: 这是一个状态变量，通常用来保存捕获的状态信息。TIM5CH1_CAPTURE_VAL: 存储捕获的值。
代码逻辑
- 检查捕获状态：
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0x80) == 0) // 还未成功捕获
- 检查状态标志位的第8位（0x80），如果为0，表示还没有成功捕获高电平。
- 判断是否已经捕获到高电平：
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0x40) // 已经捕获到高电平了
- 检查状态标志位的第7位（0x40），如果为1，表示之前已经捕获到了高电平。
- 捕获高电平时间过长：
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0x3F) == 0x3F) // 高电平太长了
- 检查状态变量的低6位（0x3F），如果等于63，表示高电平持续时间过长。
- 此时，将第8位标记为1，表示成功捕获了一次，并将捕获值设置为最大值（0xFFFFFFFF），可能是为了表示超时。
- 捕获到一次低电平：
else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;
- 如果没有达到超时，表示捕获到了一次低电平，状态计数器加1。
2.4 输入捕获中断捕获处理回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 捕获中断发生时执行
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0) // 还未成功捕获
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) // 捕获到一个下降沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; // 标记成功捕获到一次高电平脉宽
TIM5CH1_CAPTURE_VAL = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1); // 获取当前的捕获值.
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1); // 一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING); // 配置TIM5通道1上升沿捕获
}
else // 还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0; // 清空
TIM5CH1_CAPTURE_VAL = 0;
TIM5CH1_CAPTURE_STA |= 0X40; // 标记捕获到了上升沿
__HAL_TIM_DISABLE(&TIM5_Handler); // 关闭定时器5
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler,0); // 清空计数器
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); // 一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_FALLING); // 定时器5通道1设置为下降沿捕获
__HAL_TIM_ENABLE(&TIM5_Handler); // 使能定时器5
}
}
}
同样，这个函数也值得我们分析一下：
函数定义
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) // 捕获中断发生时执行
- 这是一个回调函数，当定时器捕获中断发生时被调用，参数
htim是指向定时器句柄的指针，用于识别哪个定时器触发了中断。
捕获状态检查
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X80) == 0) // 还未成功捕获
- 检查
TIM5CH1_CAPTURE_STA的第 7 位（0x80）是否为 0，表示还没有成功捕获到高电平脉宽。
捕获到下降沿的处理
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA & 0X40) // 捕获到一个下降沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA |= 0X80; // 标记成功捕获到一次高电平脉宽
TIM5CH1_CAPTURE_VAL = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); // 获取当前的捕获值.
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); // 一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_RISING); // 配置TIM5通道1上升沿捕获
}
- 如果已经捕获到下降沿（
TIM5CH1_CAPTURE_STA的第 6 位为 1），则：- 将状态标志
0x80设为 1，标记为成功捕获高电平脉宽。 - 使用
HAL_TIM_ReadCapturedValue获取当前捕获的计数值，并存储在TIM5CH1_CAPTURE_VAL中。 - 清除之前的捕获极性设置。
- 将捕获极性设置为上升沿，准备下次捕获。
- 将状态标志
第一次捕获上升沿的处理
else // 还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0; // 清空
TIM5CH1_CAPTURE_VAL = 0;
TIM5CH1_CAPTURE_STA |= 0X40; // 标记捕获到了上升沿
__HAL_TIM_DISABLE(&TIM5_Handler); // 关闭定时器5
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler, 0); // 清空计数器
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); // 一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1, TIM_ICPOLARITY_FALLING); // 定时器5通道1设置为下降沿捕获
__HAL_TIM_ENABLE(&TIM5_Handler); // 使能定时器5
}
- 如果还没有捕获到任何边沿：
- 清空捕获状态和捕获值。
- 标记为已捕获到上升沿（设置
0x40）。 - 关闭 TIM5 定时器，重置计数器为 0。
- 清除之前的捕获极性设置。
- 将捕获极性设置为下降沿，以便在下次捕获时能够检测到下降沿。
- 重新使能 TIM5 定时器。
2.5 主函数
extern u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA; // 输入捕获状态
extern u32 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; // 输入捕获值
int main(void)
{
long long temp=0;
HAL_Init(); //初始化HAL库
Stm32_Clock_Init(336,8,2,7); //设置时钟,168Mhz
delay_init(168); //初始化延时函数
uart_init(115200); //初始化USART
LED_Init(); //初始化LED
TIM14_PWM_Init(500-1,84-1); //84M/84=1M的计数频率，自动重装载为500，那么PWM频率为1M/500=2kHZ
TIM5_CH1_Cap_Init(0XFFFFFFFF,84-1); //以1MHZ的频率计数
while(1)
{
delay_ms(10);
TIM_SetTIM14Compare1(TIM_GetTIM14Capture1()+1); // 使能PWM输出，输出1M/500=2kHZ的PWM波形，占空比为当前计数值+1
if(TIM_GetTIM14Capture1()==300)TIM_SetTIM14Compare1(0); // 如果计数值达到300，则关闭PWM输出
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80) // 成功捕获到了一次高电平
{
temp = TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
temp *= 0XFFFFFFFF; // 溢出时间总和
temp += TIM5CH1_CAPTURE_VAL; // 得到总的高电平时间
printf("HIGH:%lld us\r\n",temp);// 打印总的高点平时间
TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0; // 开启下一次捕获
}
}
}
3. 小结
如果整个看完依旧很迷的话，看下面这个图就很容易理解了
首先我们是捕获的上升沿，对应图的0~t1，对应的代码：
else //还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA = 0; // 清空
TIM5CH1_CAPTURE_VAL = 0;
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40;// 标记捕获到了上升沿
__HAL_TIM_DISABLE(&TIM5_Handler); // 关闭定时器 5
__HAL_TIM_SET_COUNTER(&TIM5_Handler,0);
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler, TIM_CHANNEL_1); //一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_FALLING);
//定时器 5 通道 1 设置为下降沿捕获
__HAL_TIM_ENABLE(&TIM5_Handler); // 使能定时器 5
}
代码中，我们给了一个标志位说明已经捕获到上升沿，可以进入下一个阶段了，并且初始化定时器，定时器之前我们已经配置好了，为向上计数，向上计数可能到导致问题，那么就是可能产生溢出，那么对应的我们也有定时器计数溢出函数进行处理：
//更新中断（溢出）发生时执行
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获了一次
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFFFFFF;
}
else
TIM5CH1_CAPTURE_STA++;
}
}
}
上升沿和溢出处理我们都已经解决了，下面还有一个下降沿，也就是t1~t2，我们计算高电平的时间就是利用这段时间来处理的：
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; // 标记成功捕获到一次高电平脉宽
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=HAL_TIM_ReadCapturedValue(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1);//获取当前的捕获值.
TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1); //一定要先清除原来的设置！！
TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&TIM5_Handler,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_RISING);//配置 TIM5 通道 1 上升沿捕获
当我们捕获到一个下降沿后，获取当前的捕获值，然后再初始化定时器为向上计数并且上升沿捕获，开启下一轮。
如果还是不理解的，可以看看下面的简化版本：
#include "stm32f4xx_hal.h" // 根据你的具体MCU修改此头文件
TIM_HandleTypeDef htim2; // 定义定时器句柄
// 状态变量
volatile uint32_t captureStart = 0; // 存储捕获开始时间
volatile uint32_t captureEnd = 0; // 存储捕获结束时间
volatile uint8_t capturing = 0; // 捕获状态标志
volatile uint32_t overflowCount = 0;// 溢出计数
void SystemClock_Config(void);
static void MX_GPIO_Init(void);
static void MX_TIM2_Init(void);
int main(void) {
HAL_Init(); // 初始化HAL库
SystemClock_Config();// 配置系统时钟
MX_GPIO_Init(); // 初始化GPIO（如果需要）
MX_TIM2_Init(); // 初始化定时器
// 启动定时器的输入捕获中断
HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1);
// 启动定时器的溢出中断
HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
while (1) {
// 主循环可以放其他代码
}
}
// 输入捕获回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
if (htim->Instance == TIM2) { // 确保是TIM2的中断
if (!capturing) { // 如果当前不在捕获状态
// 捕获开始
captureStart = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); // 读取开始时间
capturing = 1; // 标记为正在捕获
} else { // 如果已经在捕获状态
// 捕获结束
captureEnd = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); // 读取结束时间
capturing = 0; // 恢复状态
// 计算高电平时间（单位为计数）
uint32_t highTime;
if (captureEnd >= captureStart) {
highTime = captureEnd - captureStart + (overflowCount * (htim2.Init.Period + 1));
} else {
highTime = (htim2.Init.Period + 1 - captureStart) + captureEnd + (overflowCount * (htim2.Init.Period + 1));
}
// 此处可以根据需要对计算的高电平时间进行处理
// 例如：存储、显示等
}
}
}
// 定时器溢出回调函数
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) {
if (htim->Instance == TIM2) { // 确保是TIM2的溢出中断
overflowCount++; // 溢出计数加1
}
}
// 初始化定时器
static void MX_TIM2_Init(void) {
__HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE(); // 使能TIM2时钟
TIM_IC_InitTypeDef sConfigIC = {0}; // 输入捕获配置结构体
htim2.Instance = TIM2; // 选择TIM2
htim2.Init.Prescaler = 83; // 将定时器时钟设置为1us（84MHz / 84 = 1MHz）
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; // 向上计数模式
htim2.Init.Period = 0xFFFF; // 最大计数值
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1; // 时钟分频
HAL_TIM_Base_Init(&htim2); // 初始化定时器基础功能
// 配置输入捕获信道
sConfigIC.ICPolarity = TIM_ICPOLARITY_RISING; // 捕获上升沿
sConfigIC.ICSelection = TIM_ICSELECTION_DIRECTTI; // 直接连接输入
sConfigIC.ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; // 不分频
sConfigIC.ICFilter = 0; // 无滤波
HAL_TIM_IC_ConfigChannel(&htim2, &sConfigIC, TIM_CHANNEL_1); // 配置TIM2通道1
}
// 其他必要的初始化函数，如SystemClock_Config和MX_GPIO_Init
- 状态变量：
volatile uint32_t overflowCount：用于记录定时器溢出的次数。
- 输入捕获回调 (
HAL_TIM_IC_CaptureCallback)：
- 在捕获到上升沿时，记录
captureStart。 - 在捕获到下降沿时，记录
captureEnd，并根据当前溢出的次数计算高电平持续时间。 - 使用条件判断处理可能的计数器溢出情况。
- 定时器溢出回调 (
HAL_TIM_PeriodElapsedCallback)：
- 每当定时器溢出时，该函数会被调用，增加溢出计数器。
- 定时器初始化 (
MX_TIM2_Init)：
- 配置定时器为上升沿捕获模式，并设置相关参数。
2024.10.3 第一次修订，后期不再维护
